Способ определения сечений ионизации положительных ионов релятивистскими электронами Советский патент 1986 года по МПК G01T1/34 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к коллективным методам ускорения ионов, и может быть использовано при изучении ионизационных процессов в электронно-ионных пучках.

Известен способ измерения сечения последовательной ионизации положительных ионов электронным ударом, заключающийся в том, что ионизацию производят в пересекающихся ионном и электронном пучках, а сечение ионизации определяют путем измерения выхода., ионов .более высокой зарядности.

Недостатками способа являются низкая чувствительность и невысокая достижимая зарядность исследуемых ионов.

Известен способ измерения распределения числа ионов по зарядностям,

заключающийся в том, что в нейтральных атомах исследуемого элемента производят ионизацию (рентгеновским излучением определенной внутренней оболочки атома, а затем измеряют спектр зарядностей ионов, образуемых в результате Оже-переходов.

Однако метод применим только для исследования нейтральных атомов и низкозарядных ионов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения сечений ионизации положительных ионов электронным ударом в ионной ловушке, заключающийся в том, что в начальный момент времени вводят низкозарядные ионы в сформированный в магнитном поле электронный пучок, затем в различные моменты от начала процесс ионизации ионы извлекают из электроно-ионного пучка и измеряют спектры зарядностей образовавшихся много-зарядных ионов. Сечение последовательной ионизации определяют по выходам многозарядных ионов и по сопоставлению измеренной эволюции спектра зарядностей ионов с вычисленой судят о вкладе разных ионизационых процессов.

К недостаткам известного способа относятся разрушение электронноионного пучка при анализе, необходимость проведения многократных . измерений с целью получения полной картины эволюции спектра зарядностей ионов и ограниченный энергети6885S2

ческий диапазон бомбардирующих электронов (около 300 кэВ).

Цель изобретения - расширение энергетической области определения

5 сечений, повьшение информативности и упрощение метода измерения.

Цель достигается тем, что согласно способу определения сечений ионизации положительных ионов релятивист10 скими электронами, включающему формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, формируют электронно-ионный пучок в виде кольца, измеряют ток вторичных электронов и тор15 мозное излучение ионизирующих элект-. ронов на ионах, определяют полное сечение ионизации, а .затем путем сравнения временной зависимости полного сечения с расчетными значения20 ми прямой и Оже-ионизации находят парциальные сечения этих процессов,

Формируют в магнитном поле сгусток (кольцевой пучок) электронов. После поступления в электронное коль25 до нейтральных атомов происходит

образование ионов электронньм ударом.

Образующиеся в процессе ионизации многозарядные ионы удерживаются собственньм электрическим полем 30 электронного кольца, а освобождающиеся при этом вторичные электроны выталкиваются собственным полем сгустка и регистрируются детектором электронов. Выход вторичных электронов непосредственно отражает вклад различных механизмов ионизации в процесс образования ионов и содержит информации о величине сечений этих процессов. Расчетным путем показано, что в ионизации положительных ионов электронным ударом релятивистскими электронами доминирующими являются два механизма - прямая ионизация с удалением электронов из атома или иона в континуум и возбуждение или ионизация внутренних атомных оболочек с последующим испусканием Оже-электронов, т.е.Ожеионизация, причем зависимости сечений этих ионизационных процессов от

зарядности ионов сильно различаются.

Таким образом, сечение ионизации положительных ионов электронным ударом можно определить путем измерения тока вторичных электронов и сопоставлением зависимости тока вторичных электронов от времени с расчетными сечениями указанных ионизационных процессов. Техническую реализацию способа рассмотрим на примере коллективного ускорителя тяжелых ионов электронным кольцами. В вакуумной камере с давлением около Ю торр электроны с энергией 20 МэВ в магнитном поле около 2 Тл формируются в кольцо с радиусом приблизительно 3,5 см и полуразмером сечения приблизительно 0,2 см. В кольце около 10 электронов. В начальный момент в кольцо впрыскиваются 210 атомов криптона и начинается процесс накопления положительных ионов. Освобождающиеся в процессе ионизации вторичные электроны выталкиваются из кольца с энер гией около 50 кэВ и движутся вдоль магнитных силовых линий к детектору. За время накопления ионов освобождается приблизительно 5-10 вто ричных электронов. В качестве простейшего устройства для измерения тока вторичных электронов можно использовать кольцевой токоприемник, расположенный в вакуумной камере на расстоянии около 10 см от кольца и соединенный с осциллографом с зап минающей трубкой. Если, например, принять эффективность регистрации электронов рав ной приблизительно 10%, то при числ ионов криптона в кольце около 10 регистрируемый ток будет изменяться в пределах 100-0,1 кА. Ток вторичных электронов определяется плотностью тока электронного кольца je, числом исследуемых ионов полным сечением ионизации и эффективностью регистрации электронов . В процессе накопления ионов в каждый момент времени в кольце буде -ярисутствовать некоторый набор ионо со средней зарядностью Z . Однако . дисперсия по заряду максимальна дл тяжелых ионов и составляет Л 2/А /А i 0,07, где А - массовое число иона. В рассматриваемом примере с криптоном д Z - 1 ,5 единиц заряда. Низкая плотность нейтральных ато мов остаточного газа позволяет пренебречь ион-атомными столкновениями и этот процесс не увеличивает диспе сию ионов по заряду. Таким образом, ток вторичных электронов равен I(tbj,n6U)2, (I) где Г) - число ионов в кольце; d()d(2)-Kjo(Z) полное сечение иони зации, равное сумме сечений прямой и Оже-ионизации. Произведение jgц определяется в дополнительных, проводимых однр,временно измерениях по тормозному излучению электронов кольца на ионах. Ошибка в измерении jg rj может составлять приблизительно 10%, Эффективность регистрации вторичных электронов рассчитьшается или определяется экспериментально для конкретного регистрирующего устройства с точностью приблизительно до 10%. На чертеже приведены вычисленные выходы вторичных электронов в зависимости от времени и достижимой к этому моменту средней зарядности ионов криптона. По оси ординат отложен ток вторичных электронов в микроамперах, а по оси абсцисс - время удержания ионов в электронном кольце в миллисекундах и вычисленные средние зарядности ионов криптона, достигаемые ими в соответствующие моменты времени. Зависмость 1 отображает полный регистрируемый ток вторичных электронов при условии, что б (г) Йь()(), зависимость 2 - часть полного тока, обусловленная прямой ионизацией, зависимость 3 - долю тока за счет эффекта Оже-ионизации зависимость 4 - фон, обусловленный накоплением в кольце ионов остаточного газа (в основном азот в вакуумной камере. Фоновый ток можно снизить, добиваясь более глубокого вакуума или учесть путем измерения в дополнительных опытах. Таким образом, путем измерения тока вторичных электронов и тормозного излучения электронов на ионах в соответствии с вьфажением (Т) находится экспериментальное значение полного сечения ионизации положительных ионов электронным ударом в зависимости от заряда иона. На основе измеренной зависимости полного сечения ионизации от заряда иона можно найти парциальные сечения (долю) прямой и Оже-ионизации.

СПОСОБ-ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ РЕЛЯ ТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, включающий формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью расширения энергетической области определения сечений, повьшения информативности и упрощения метода измерения, формируют электронно-ионный пучок в виде кольца, измеряют ток вторичных электронов и тормозное излучение ионизирующих электронов на ионах, определяют полное сечение ионизации, а затем путем сравнения временной зависимости полного сечения с расчетными значениями прямой и Оже-ионизации находят парциальные сечения этих процессов.

cijjaiiiHbfeESiiis Tl -i Сечения прямой (j- () .и Оже-иониэации С; (Z) определяются из условия наилучшего совпадения из известных модельных представлений С; (Z} и (3 ()с величиной измеренного полно го сечения б (Z) сразу во всей облас ти измерения зарядностей ионов, используя метод наименьших квадратов . Для этого измеряют сечения цол .ной ионизации для К значений среднего заряда ионов 2. Значения бп (z) .и бо () находятся следующим образом (г1 б„иьрб:(), а искомые коэффициенты рС и Я определяют из условия минимума значения функционала (6uo-oi6;;(2;)-K(r.f(.) где(;(-,)- измеренное полное сечение ионизации при соответствующих значениях среднего заряда ZiiuUk); . й(;) известные модел . ныезначения се НИИ ионизации д ионов тех же за рядностей. Известно, что в минимуме Ф полученной системы двух ли Нейных уравнений с двумя неизвестными находят ос и j) и определяют 6f,(Z) и (0 (2) , о точности которых можно судить по величине ((|);,/3)( гпш.Пусть полное речен крнизации б(Е;) криптона измерено д пяти значений , значения КОТОРЫ 55 а -также известные модельные значения и , и Cj (7;) представлены в таблице. В предложенном случае об 1,152; /1 0,872 и соответственно искомые значения Рп (г) 1,152С; )о (2) 0,872с(г) . В этом примереС5() ибо() определены с относительной точностью 6%. Приведенная процедура позволяет на основе экспериментального полного сечения ионизации и теоретических расчетов определить абсолютные значения парциальных сечений прямой и Оже-иониз ации. Таким образом, технические преимущества предложенного способа заключаются прежде всего в том. что он позволяет значительно упростить и сократить время проведения эксперимента. Вместе с тем предложенный способ по сравнению с базовым образцом существенно расширит диапазон энергии ионизирующих электронов до ультрарелятивистских энергий, В .отличие от базового образца предложенный способ позволяет измерять селения: ионизации не разрушая электронно-ионного пучка и даже в случае одного электронно-ионного кольца. Вместе с тем простота в измерении и высокая эффективность регистрации тока вторичных электронов позволяют определить не только полное сечение ионизации сечение ионизации опреде- ляет выход иона из данного зарядового состояния в более высокое), но и проследить зависимость парциальных сечений прямой и Оже-ионизации в широком диапазоне изменения зарядности ионов, что представляет значительный интерес для изучения динамики накопления ионов в электронном кольце, оптимизации процесса их ускорения, а также для атомной физики в целом из-за недостатка экспериментальных сведений о сечении ионизации положительных ионов релятивистскими электронами, I

-19

2,4-10

-20 1,5 -10

21

1,2lCr

-19

-го

-21

-7t

7--10

740

-23

21

0,95-10

5 г 10